碳衛星 為應對全球氣候變化提供科學依據

在中科院大氣物理研究所研究員劉毅的辦公室中，放著一個縮小版的全球二氧化碳監測科學實驗衛星(以下簡稱碳衛星)模型。這顆“小”身形的衛星，承擔著監測全球二氧化碳濃度分布的“大”使命。

從國外專家口中的“impossible”到2016年成功發射，碳衛星目前已在太空中工作了5年多。作為我國首顆、全球第三顆碳衛星，它實現了我國空間溫室氣體高精度監測的從無到有，為應對全球氣候變化貢獻了科技力量。

今年7月，劉毅團隊獲取了中國碳衛星首個全球碳通量數據集和地圖，這標志著我國具備了全球碳收支的空間定量監測能力，是繼日本、美國之后第三個具備該技術的國家。

精準監測碳排放

溫室氣體排放導致全球氣候變化已成為國際社會共識，在節能減排刻不容緩的形勢下，為了達到“可測量、可報告、可核查”的量化減排目標，世界各國政府迫切希望能有切實可行的測量方法和技術。2009年，日本成功發射了全球首顆碳衛星GOSAT;2014年，美國宇航局成功發射了OCO-2。

為了提升我國在氣候變化談判等問題上的國際話語權，建立和完善溫室氣體排放統計制度，2011年，在“863”計劃的支持下，“全球二氧化碳監測科學實驗衛星與應用示范”重大項目(中國碳衛星)正式立項。

這是一項多部門合作的任務，是由中科院負責工程總體，中科院國家空間科學中心、中科院微小衛星創新研究院、中科院長春光學精密機械與物理研究所、中科院大氣物理研究所和中國氣象局國家衛星氣象中心等多家單位共同承擔的科學實驗衛星計劃。

在碳衛星的研發過程中，非常重要的一環就是建立溫室氣體衛星觀測的模擬和反演系統(IAPCAS)，將衛星的原始觀測資料“翻譯”成可供科學家使用的數據。

劉毅表示，碳衛星目標是實現全球大氣二氧化碳柱平均干空氣混合比的高精度監測，而衛星遙感大氣二氧化碳面臨的主要挑戰是精度要求高、干擾因素多、反演難度大。

國家需求就是科技攻關的方向，劉毅帶著中科院大氣物理研究所副研究員楊東旭等團隊成員，全身心投入到工作中。

“我們從科學問題倒推碳衛星需要什么樣的反演系統，全鏈路的思想貫穿了整個IAPCAS的研發過程。當時楊東旭的博士論文還在做氣溶膠相關課題，碳衛星的需求讓他轉向了這個新的領域。”劉毅說。

最終，楊東旭研發了衛星遙感反演算法，高精度模擬了太陽輻射在大氣中的傳輸過程，充分優化氣溶膠光學性質隨波長的變化以及卷云的連續吸收等特征，顯著降低了誤差，提高了反演精度，大幅提高了計算效率。

為應對全球氣候變化提供科學依據

碳衛星的研制絕非孤軍作戰——不僅實現了多個部門的密切配合，也實現了“863”計劃管理模式和航天工程管理模式的融合。2016年12月22日，萬眾矚目的碳衛星終于迎來了升空的時刻，這也是劉毅第一次在現場看衛星發射。

“凌晨的酒泉很冷，可我們心里熱乎乎的，我國的碳衛星有自主知識產權。”劉毅說。

在衛星完成在軌測試后，劉毅團隊還要利用反演算法解析觀測數據，從而獲得全球二氧化碳分布圖。

2017年的地球觀測組織年度大會當年10月舉辦，大家都希望能在會上公布碳衛星的“首秀”成果。劉毅回憶，當時人手緊張、時間也緊迫，團隊成員的日子都是按“小時”計算，終于在2017年9月底拿出了首幅全球二氧化碳分布圖，平均精度達到了2.11ppm。成果一經發布，就受到美國宇航局、日本宇宙航空研究開發機構和歐洲航天局等的高度關注。

隨著時間推移，更多的成果接踵而至。2020年，劉毅團隊改進了數據質量和反演算法，將數據精度提升到1.5ppm的國際先進水平，同時首次利用物理算法反演獲得了陸地生態系統日光誘導葉綠素熒光數據產品;2021年，計算獲取了中國碳衛星首個全球碳通量數據產品。

“全鏈路的思想起到了關鍵作用。”劉毅說，“也要感謝團隊里可愛的年輕人，希望他們能夠盡快成長，承擔更多的國家級任務，研究出更多創新性成果。”

走向開放共享

2017年我國碳衛星數據產品對全球用戶免費開放，中國成為繼日本、美國之后，第三個可以提供碳衛星數據的國家。

“但是，更大的挑戰在于如何用好衛星遙感這一探測手段，服務全球盤點和我國‘雙碳’目標的實現。”劉毅說。

要實現全球統一、無偏差的碳收支核算，僅靠目前的3顆衛星是不夠的。根據政府間氣候變化專門委員會(IPCC)制定的《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》，各國清單須按照其方法進行編制;2019年，IPCC對清單指南進行了補充修訂，要求利用大氣觀測支撐清單編制與驗證，這就對我國發展新一代溫室氣體監測衛星提出更為迫切的需求。

“國別清單的誤差、偏差、透明度等問題依然無法避免，因此，在研發衛星的同時，更要按照科學規律使用好衛星數據，碳中和不是零和博弈，需要全世界各個國家共同努力、合作共贏。”劉毅說。

“我們希望通過這顆衛星和美國、日本等其他國家合作形成碳衛星‘虛擬星座’，聯合觀測大氣二氧化碳，為全球氣候變化提供更加豐富的監測數據。”劉毅表示。

目前，新一代碳衛星的設計與研發已經提上日程。劉毅表示，將面向我國“雙碳”目標的監測需求、國際社會的盤點需求研發新一代碳衛星，助力人類命運共同體實現“碳中和”。(記者 高雅麗)

關鍵詞： 衛星 溫室氣體 碳衛星 衛星計劃